重点实验室面向世界科技前沿和人民生命健康，以光电信息关键科学问题为牵引，聚焦光电信息技术在医学领域的应用研究。在光电与医学多学科交叉领域形成了医学光谱与光学成像新技术、基于光电技术的医学分子生物学机制、光电信息技术研发及产业化三个特色鲜明的研究方向。
研究方向1：医学光谱与光学成像新技术重大疾病发病机制
癌症发病率和死亡率长期位居全球首位，癌症早期诊断仍是世界性难题。实验室致力于发展医学光谱与光学成像新技术和新方法，在促进癌症的无损在体检测、快速诊断，提高灵敏度等方面取得进展；自主搭建的表面增强拉曼光谱检测平台、光动力治疗剂量参数的多模式光学成像系统，以及基于肿瘤微环境多光子诊断特征预后评估系统，为解决恶性肿瘤早期诊断、监测治疗和预后评估等临床亟待解决的技术难题提供新思路和新方法。
研究方向2：基于光电技术的医学分子生物学机制研究
聚焦病原体与宿主相互作用机制、肿瘤发生发展机制和免疫效应研究。首次揭示致病性嗜肺军团菌中重要致病因子的晶体结构，阐明效应蛋白的全新酶学机理和宿主天然免疫反应等体内体外的调控机理，建立基因编辑新方法，为病原体感染防治和肿瘤诊疗提供了新的科学策略和重要靶点。面对国家做好常态化疫情防控工作需求，积极研发新冠病毒消杀光电装备以及新冠病毒、猴痘病毒等快速检测技术和疫苗研发，对于全面提升我国传染病防控体系水平具有重要意义。
研究方向3：光电信息技术研发及产业化
布局国家重大战略需求，开展光电共性技术和前瞻性技术研发，为医疗应用提供解决方案。响应国家疫情防控需求，自主研发国内首套工业级光电冷链病毒消杀装备，提升我国传染病防控体系水平；服务医疗大数据存储国家重大需求，创新发展振幅、相位、偏振多维调制的大数据全息光存储方法，为海量医疗数据存储提供核心技术和解决方案；布局医疗应急救援智能通信重大需求，研发无线MESH网络，为医疗智能救护车和智能运动靶车应急救援通信提供解决方案；研制的多款光学系统服务我国航天和空间安全，相关技术运用于医疗内窥镜光学系统研制，获得医疗器械生产和医疗器械产品备案。
